Experimentelle Analyse der Mischwirkung von Segmentierten Wendelscherteilen unter besonderer Berücksichtigung des Verweilzeitverhaltens

Die Homogenisierung der Polymerschmelze stellt einen zentralen Prozessschritt in der Extrusion von Kunststoffen dar. Die Mischperformance von Einschneckenextrudern kann durch Verwendung unterschiedlicher Schneckenspitzen mit integrierten Scher- und Mischkanälen verbessert werden. Bei hohen Anforderungen an die Schmelzehomogenität sowie bei hohen spezifischen Durchsätzen sind Scher- und Mischelemente notwendig, um eine entsprechende stoffliche und thermische Schmelzequalität zu gewährleisten. Für das dispersive Mischen (Aufbrechen von Agglomeraten und Flüssigkeitstropfen) werden Scherteile verwendet, wobei die gängigste Geometrie das Wendelscherteil ist. Vorangegangene Studien zeigen, dass die Segmentierung von Scherelementen zu einer geringeren Erhöhung der Massetemperatur und einem geringeren Druckunterschied entlang der Schneckenspitze, bei ähnlicher Mischwirkung führen. Diese Effekte lassen sich auf die Geometrie der Schneckenspitzen zurückführen. Die zugrundeliegenden Daten wurden großteils anhand von Simulationen generiert und experimentell noch nicht überprüft. Diese Masterarbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Validierung der Mischwirkung segmentierter Schneckenspitzen. Ziel dieser Arbeit ist ein verfahrenstechnischer Vergleich von vier unterschiedlichen Schneckenspitzen bei der Extrusion von ausgewählten Polyolefinen auf einem 45 mm Einschneckenextruder. Diese beinhalten ein konventionelles Wendelscherteil, zwei geometrisch ähnliche, segmentierte Wendelscherteile und eine blanke Welle. Im Zuge der experimentellen Untersuchungen wurden die thermische und stoffliche Homogenität der Kunststoffschmelze, die Massetemperatur sowie der Druckverlust über das Scherteil analysiert. Zusätzlich wurde eine Methode der Verweilzeitverteilungsmessung zur Analyse des Längsmischverhaltens untersucht. Die Versuche wurden auf einem 45/28D Einschneckenextruder mit glatter Einzugszone unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Polyolefin-Typen durchgeführt. Der axiale Druckverlauf wurde mit Drucksensoren entlang des Zylinders aufgezeichnet. Die letzten beiden Drucksensoren befanden sich vor und unmittelbar nach der Schneckenspitze. Die thermische Homogenität im Schmelzequerschnitt, nach der Schneckenspitze, wurde mithilfe eines Temperaturmesskreuzes erhoben. Für die Auswertung der stofflichen Homogenität wurde das Granulat mit einem geringen Anteil an schwarzem Masterbatch vermischt. Anschließend wurden vom Extrudat Proben gezogen, Dünnschnitte angefertigt und mit Hilfe einer optischen Grauwertanalyse ausgewertet. Die Testung der Methode zur Verweilzeitverteilungsmessung erfolgte anhand des konventionellen Wendelscherteils und eines Rautenmischteils. Eine geringe Menge eines fluoreszierenden Tracers wurde dabei in die Einzugszone eingebracht und dessen Strahlungsintensität mittels zweier Fluoreszenzmesssonden vor und nach dem Scherteil/Mischteil gemessen. Die Ergebnisse wurden auf statistische Signifikanz überprüft, um eventuelle Messfehler charakterisieren zu können.